一种基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法与流程

1.本发明属于新能源并网控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法。

背景技术：

2.随着新能源发电装机容量的快速增长，在可预见的将来，我国电力系统将以高比例新能源为主要特征，局部电网甚至将逐步向纯新能源电力系统迈进。部分偏远地区大规模运用新能源同时本地配套火电机组较少，从而使得频率调节以及无功/电压支撑能力较弱，已经形成或即将形成弱同步电压支撑电网系统。随之而来的是电力电子设备的大量接入，导致系统有效转动惯量减少，动态无功储备急剧下降，电网失步、电压崩溃、频率失稳、宽频振荡等安全稳定问题风险加大。
3.基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)控制的逆变器凭借其自身的特性，在电网逐渐变弱的大背景下可以很好地为电网提供电压和频率支撑，配合虚拟阻抗在一定程度上可以提高弱电网的稳定性，对电网安全稳定运行起着积极作用。传统电网的故障主要包括横向故障和纵向故障，其中横向故障(短路故障)的发生几率最高，影响也最为严重。在短路故障引起的电压跌落背景下，如何保证vsg安全工作同时继续为电网提供无功电压支撑已成为当下vsg故障穿越研究的热点。
4.目前，国内外针对vsg的故障穿越主要分为以下几种方式：(1)采用电流切换控制方式，在故障期间重新整定有功/无功电流给定值实现故障穿越，该方法忽略了有功频率的影响，对系统功角稳定性缺少控制，不适宜在弱电网背景下应用；(2)给定功率值再整定，根据电网电压跌落程度重新整定有功/无功功率值，不改变控制结构，但采样及计算过程存在误差，很难最大化发挥逆变器的输出能力；(3)附加限流措施，在电流环附加限流措施，以抑制变流器的过流，但该方式长期运行时可能造成因电压环积分器输出过大而在电网恢复时发生失稳现象；(4)增加虚拟阻抗，在控制内电势不变的情况下，以附加虚拟阻抗的形式控制输出电流，实现故障穿越，但虚拟阻抗切换期间会造成较大的突变电流，不利于逆变器的动态稳定性。
5.已有实验证明，上述控制方式在一定程度上确实能提高新能源并网的暂态稳定性，但是并未考虑系统的功角稳定性，在电网发生严重故障时并未发挥逆变器的最大电压支撑能力。因此，研究考虑系统的功角稳定，同时针对不同程度的电网电压跌落故障有着相应电压支撑能力的故障穿越控制方式是十分有意义的。

技术实现要素：

6.针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，在提高系统功角稳定性的同时能够发挥并网逆变器的最大无功支撑电压能力，且具有良好的暂态稳定性。
7.一种基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，包括如下步骤：
8.(1)采集三相电网电压、三相并网点电压以及并网逆变器的三相输出电流、三相并网点电流，通过dq变换确定三相电网电压、三相并网点电压、三相输出电流和三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的分量；
9.(2)根据三相并网点电压和三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的分量，计算出并网逆变器的输出有功功率pe和输出无功功率qe；
10.(3)利用传统的虚拟同步发电机有功频率控制环和无功电压控制环，计算出虚拟同步发电机控制的内电势e和相位θ；
11.(4)监控电网电压幅值ug；当ug低于0.9pu时，启动故障穿越控制；若ug处于0.9pu-1.1pu时，采用正常运行方式运行；若ug高于1.1pu时，启动故障穿越控制；
12.(5)当启动故障穿越控制时，虚拟同步发电机的有功频率控制环加入补偿项
△
p及无功电压控制环中无功反馈系数切换为d
q*
；
13.(6)利用电压电流双闭环和虚拟阻抗控制计算得有功轴电压指令和无功轴电压指令然后通过park反变换得到电压指令在静止α-β坐标系中的分量；进而根据电压指令在静止α-β坐标系中的分量通过svpwm技术构造得到一组pwm信号以对并网逆变器进行控制。
14.上述技术方案中，进一步地，所述的步骤(2)中，通过以下算式计算并网逆变器的输出有功功率pe和输出无功功率qe：
[0015][0016][0017]
其中：u
od
和u
oq
分别为三相并网点电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量，i
od
和i
oq
分别为三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量。
[0018]
所述的步骤(3)中，通过以下算式计算虚拟同步发电机控制的内电势e和相位θ：
[0019][0020][0021]
θ＝∫ωdt
[0022]
其中：p
ref
和q
ref
分别为给定的有功功率参考量和无功功率参考量，u
ref
为给定控制电压，uo为并网点电压幅值，j为虚拟转动惯量，dq和d分别为给定的无功反馈系数和虚拟阻尼系数，k为积分系数，ω为虚拟角频率，ωn＝314，
[0023]
所述的步骤(4)中，通过以下算式计算得到电网电压幅值ug：
[0024][0025]
其中：u
gd
和u
gq
分别为电网电压在旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量。
[0026]
所述的步骤(5)中，通过以下算式计算得到有功功率补偿项
△
p和无功反馈系数再整定值d
q*
：
[0027][0028][0029][0030][0031][0032]
δo＝∫(ω-ωn)dt
[0033]
其中：u
of
和u
gf
分别为故障下的并网点电压幅值和电网电压幅值，u
on
和u
gn
分别为额定运行下的并网点电压幅值和电网电压幅值，p
ef
和q
ef
分别为故障下的并网逆变器输出有功功率和无功功率，xg为电网线路电抗，i
max
为逆变器输出电流阈值(取1.5倍额定输出电流)，ue为故障穿越控制模式下的控制电压值，为改进后的故障穿越控制模式下的控制电压值，u
low_ref
和u
up_ref
分别为目标控制电压下限、上限设定值，δo为功角。
[0034]
所述的步骤(6)中，通过以下算式进行电压电流双闭环控制，得到有功轴电压指令和无功轴电压指令
[0035][0036][0037][0038][0039][0040][0041]
其中：lv为虚拟电抗，k
p
和ki为pi控制器的比例系数和积分系数，和分别为并网点控制给定有功电压指令和无功电压指令，u
od
和u
oq
分别为并网点控制有功电压和无功电压，和分别为电流内环给定有功电流指令和无功电流指令，i
sd
和i
sq
分别为电流内环有功电流和无功电流，i
od
和i
oq
分别为并网点控制有功电流和无功电流，和分别
为并网逆变器输出端有功电压指令和无功电压指令，lf和cf分别为滤波电感和滤波电容。
[0042]
本发明的有益效果为：
[0043]
本发明相比于传统低电压穿越控制方式具有更好的功角稳定性和电压稳定性，其主要控制措施为：加入有功功率补偿项和无功反馈系数的再整定；加入有功功率补偿项可有效的降低给定有功功率和输出有功功率的差值，大大提高了系统的功角稳定性；同时，利用无功控制环本身固有的有差调节特性，结合并网逆变器的输出电流阈值，实现在电网电压大幅跌落时以最大输出电流运行；小幅跌落或抬升时，利用目标电压控制值，实现并网电压的有效控制。本发明利用逆变器的输出电流阈值，故不存在逆变器过流的风险；同时，根据目标控制电压设置以应对不同的电网电压跌落程度，可应对电网电压的大幅、小幅跌落以及小幅电压抬升场景；故本发明适用于在弱电压支撑电网下各类高频开关自关断器件构成的各类pwm控制的三相逆变装置，如风能、太阳能、燃料电池等发电系统的并网装置，柔性交流输电系统的电力电子装置。
附图说明
[0044]
图1为传统虚拟同步发电机并网控制原理示意图。
[0045]
图2为本发明有功频率控制环及无功电压控制环改进措施示意图。
[0046]
图3为电网电压跌落至0.2pu时，在传统控制和本发明控制策略下，并网逆变器输出电压、输出无功功率、输出电流仿真对比图。
[0047]
图4为电网电压跌落至0.8pu时，在传统控制和本发明控制策略下，并网逆变器输出电压对比图。
[0048]
图5为电网电压小幅抬升时，在传统控制和本发明控制策略下，并网逆变器输出电压对比图。
具体实施方式
[0049]
为了更加具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明虚拟同步发电机的故障穿越控制方法进行详细说明。
[0050]
以一台1.5mw的并网逆变器并网运行工况为例，如图1所示，其包括直流电压源v
dc
、滤波电感lf、滤波电容cf、线路电抗xg、大电网以及由六个igbt开关管构成的三相全桥逆变电路。
[0051]
如图3所示，该并网逆变器所采用的虚拟同步发电机的故障穿越控制方法，包括以下步骤：
[0052]
(1)首先，利用两组霍尔电压传感器分别采集三相电网电压u
ga
～u
gc
和并网逆变器并网点的三相并网电压u
oa
～u
oc
，利用两组霍尔电流传感器分别采集并网逆变器的三相输出电流i
sa
～i
sc
和并网逆变器并网点的三相并网电流i
oa
～i
oc
；
[0053]
然后，利用虚拟同步发电机控制得到其自身的角频率ω和相位θ；
[0054]
最后，对三相电网电压u
ga
～u
gc
、三相并网点电压u
oa
～u
oc
、三相输出电流i
sa
～i
sc
和三相并网点电流i
oa
～i
oc
进行dq变换，得到三相电网电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量u
gd
和q轴分量u
gq
、三相并网点电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量u
od
和q轴分量u
oq、
三相输出电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量i
sd
和q轴分量i
sq
以及三相并网点电流在旋转d-q坐标系中
的d轴分量i
od
和q轴分量i
oq
；dq变换的变换矩阵如下：
[0055][0056]
(2)根据三相并网点电压和三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的分量，利用功率计算模块(power calculation)通过以下算式计算出并网逆变器的输出有功功率pe和输出无功功率qe：
[0057][0058][0059]
其中：u
od
和u
oq
分别为三相并网点电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量，i
od
和i
oq
分别为三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量。
[0060]
(3)利用传统的虚拟同步发电机有功频率控制环和无功电压控制环，计算出虚拟同步发电机控制的内电势e和相位θ：
[0061][0062][0063]
θ＝∫ωdt
[0064]
其中：p
ref
和q
ref
分别为给定的有功功率参考量和无功功率参考量，u
ref
为给定控制电压，uo为并网点电压幅值，j为虚拟转动惯量，dq和d分别为给定的无功反馈系数和虚拟阻尼系数，k为积分系数，ω为虚拟角频率；本实施方式中，p
ref
＝1.5，q
ref
＝0，k＝30，d＝550，dq＝0.0045，u
ref
＝311，j＝20，ωn＝314，
[0065]
(4)对电网电压幅值ug进行监控；当ug低于0.9pu时，启动故障穿越控制；若ug处于0.9pu-1.1pu时，采用正常运行方式运行；若ug处于1.1pu-1.3pu时，启动故障穿越控制；电网电压幅值ug计算公式如下：
[0066][0067]
其中：u
gd
和u
gq
分别为电网电压在旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量。
[0068]
(5)当启动故障穿越控制时，如图2所示，在虚拟同步发电机的有功频率控制环加入补偿项
△
p及无功电压控制环中无功反馈系数切换为d
q*
：
[0069][0070]
[0071][0072][0073][0074]
δo＝∫(ω-ωn)dt
[0075]
其中：u
of
和u
gf
分别为故障下的并网点电压幅值和电网电压幅值，u
on
和u
gn
分别为额定运行下的并网点电压幅值和电网电压幅值，p
ef
和q
ef
分别为故障下的并网逆变器输出有功功率和无功功率，xg为电网线路电抗，i
max
为逆变器输出电流阈值(取1.5倍额定输出电流)，ue为故障穿越控制模式下的控制电压值，为改进后的故障穿越控制模式下的控制电压值，u
low_ref
＝290，u
up_ref
＝320，δo为功角。
[0076]
(6)利用电压电流双闭环和虚拟阻抗控制计算得有功轴电压指令和无功轴电压指令
[0077][0078][0079][0080][0081][0082][0083]
其中：lv为虚拟电抗，k
p
和ki为pi控制器的比例系数和积分系数，和分别为并网点控制给定有功电压指令和无功电压指令，u
od
和u
oq
分别为并网点控制有功电压和无功电压，和分别为电流内环给定有功电流指令和无功电流指令，i
sd
和i
sq
分别为电流内环有功电流和无功电流，i
od
和i
oq
分别为并网点控制有功电流和无功电流，和分别为并网逆变器输出端有功电压指令和无功电压指令，lf和cf分别为滤波电感和滤波电容。本实施方式中，k
p
＝0.3，ki＝5，lv＝0.0012。
[0084]
然后，对有功轴电压指令和无功轴电压指令进行park反变换得到电压指令在静止α-β坐标系中的α轴分量v
α
和β轴分量v
β
；park反变换的变换矩阵如下：
[0085][0086]
最后，根据电压指令在静止α-β坐标系中的分量v
α
和v
β
，通过svpwm调制模块构造得到一组pwm信号sa～sc以对并网逆变器中的igbt进行开关控制。
[0087]
以下是对采用本实施方式控制方法下的并网逆变器并网运行工况进行的仿真；参照图3，对比传统固定无功反馈系数的控制策略可以看出，在电网电压发生大幅跌落(跌落至0.2pu)时，采用本实施方式，并网逆变器在保证稳定运行的同时，可实现最大输出电流运行，最大程度实现无功支撑电压。参照图4，对比传统固定无功反馈系数的控制策略可以看出，在电网电压发生小幅跌落(跌落至0.8pu)时，本实施方式可有效的控制并网点电压，抬升至1pu附近。参照图5，电网电压发生小幅抬升时，对比传统的固定无功反馈系数控制方式，本实施方式可有效的将并网点电压控制至1.05pu。可见，本实施方式相比于传统固定无功反馈系数的控制方式，在无功支撑电压能力方面有着更好的控制效果。
[0088]
综上所述，本实施方式不仅在电网电压发生大幅跌落时可以最大输出电流实现最大无功支撑电压，还可以在电网电压发生小幅跌落或抬升时，凭借控制的优越性，将并网点电压严格控制在可靠运行电压范围内，提高了并网逆变器无功支撑能力，实现并网逆变器在电网电压故障下的稳定运行。

技术特征：

1.一种基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，包括如下步骤：(1)采集三相电网电压、三相并网点电压以及并网逆变器的三相输出电流、三相并网点电流，通过dq变换确定三相电网电压、三相并网点电压、三相输出电流和三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的分量；(2)根据三相并网点电压和三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的分量，计算出并网逆变器的输出有功功率p
e
和输出无功功率q
e
；(3)利用传统的虚拟同步发电机有功频率控制环和无功电压控制环，计算出虚拟同步发电机控制的内电势e和相位θ；(4)监控电网电压幅值u
g
：当u
g
低于0.9pu时，启动故障穿越控制；若u
g
处于0.9pu-1.1pu时，采用正常运行方式运行；若u
g
高于1.1pu时，启动故障穿越控制；(5)当启动故障穿越控制时，虚拟同步发电机的有功频率控制环加入补偿项
△
p及无功电压控制环中无功反馈系数切换为d
q*
；(6)利用电压电流双闭环和虚拟阻抗控制计算得有功轴电压指令和无功轴电压指令然后通过park反变换得到电压指令在静止α-β坐标系中的分量；进而根据电压指令在静止α-β坐标系中的分量通过svpwm技术构造得到一组pwm信号以对并网逆变器进行控制。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，通过以下算式计算并网逆变器的输出有功功率p
e
和输出无功功率q
e
：：其中：u
od
和u
oq
分别为三相并网点电压在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量，i
od
和i
oq
分别为三相并网点电流在旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量。3.根据权利要求2所述的基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，通过以下算式计算虚拟同步发电机控制的内电势e和相位θ：θ：θ＝∫ωdt其中：p
ref
和q
ref
分别为给定的有功功率参考量和无功功率参考量，u
ref
为给定控制电压，u
o
为并网点电压幅值，j为虚拟转动惯量，d
q
和d分别为给定的无功反馈系数和虚拟阻尼系数，k为积分系数，ω为虚拟角频率，ω
n
＝314，4.根据权利要求3所述的基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，通过以下算式计算得到电网电压幅值u
g
：
其中：u
gd
和u
gq
分别为电网电压在旋转d-q坐标系下的d轴分量和q轴分量。5.根据权利要求4所述的基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，通过以下算式计算得到有功功率补偿项
△
p和无功反馈系数再整定值d
q*
：：：：：δ
o
＝∫(ω-ω
n
)dt其中：u
of
和u
gf
分别为故障下的并网点电压幅值和电网电压幅值，u
on
和u
gn
分别为额定运行下的并网点电压幅值和电网电压幅值，p
ef
和q
ef
分别为故障下的并网逆变器输出有功功率和无功功率，x
g
为电网线路电抗，i
max
为逆变器输出电流阈值，i
max
取1.5倍额定输出电流，u
e
为故障穿越控制模式下的控制电压值，为改进后的故障穿越控制模式下的控制电压值，u
low_ref
和u
up_ref
分别为目标控制电压下限、上限设定值，δ
o
为功角。6.根据权利要求5所述的基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，通过以下算式进行电压电流双闭环控制，得到有功轴电压指令和无功轴电压指令和无功轴电压指令和无功轴电压指令和无功轴电压指令和无功轴电压指令和无功轴电压指令和无功轴电压指令
其中：l
v
为虚拟电抗，k
p
和k
i
为pi控制器的比例系数和积分系数，和分别为并网点控制给定有功电压指令和无功电压指令，u
od
和u
oq
分别为并网点控制有功电压和无功电压，和分别为电流内环给定有功电流指令和无功电流指令，i
sd
和i
sq
分别为电流内环有功电流和无功电流，i
od
和i
oq
分别为并网点控制有功电流和无功电流，和分别为并网逆变器输出端有功电压指令和无功电压指令，l
f
和c
f
分别为滤波电感和滤波电容。

技术总结

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机控制的并网逆变器故障穿越控制方法，其主要控制措施为：加入有功功率补偿项和无功反馈系数的再整定；加入有功功率补偿项可有效的降低给定有功功率和输出有功功率的差值，大大提高了系统的功角稳定性；同时，利用无功控制环本身固有的有差调节特性，结合并网逆变器的输出电流阈值，实现在电网电压大幅跌落时最大输出电流运行；小幅跌落或抬升时，利用目标电压控制值，实现并网电压的有效控制。本发明适用于在弱电压支撑电网下各类高频开关自关断器件构成的各类PWM控制的三相逆变装置，该方法在提高系统功角稳定性的同时能够发挥并网逆变器的最大无功支撑电压能力，且具有良好的暂态稳定性。性。性。